Marcin Rotkiewicz, "Z gliny powstałeś" (2004)
"Polityka" nr 09/2004 (2441)
Naukowcy coraz bliżej stworzenia życia w laboratorium
Sensacja, która przeszła niezauważona: pół wieku po rozpoczęciu prób stworzenia życia z nieożywionej materii amerykańskim naukowcom udało się uzyskać pierwsze komórki, które mogą się mnożyć.
Nikt poza Stanleyem Millerem, młodym doktorantem z Wydziału
Chemii University of Chicago, nie zwrócił specjalnej uwagi na fragment
wykładu kursowego prof. Harolda Ureya, wybitnego chemika i
laureata Nagrody Nobla. Opowiadając o powstaniu Układu
Słonecznego amerykański naukowiec wspomniał mimochodem, że pierwotna
atmosfera Ziemi ponad 4 mld lat temu była zapewne pozbawiona gazowego tlenu,
ale za to bogata w metan, amoniak oraz parę wodną. Z tych prostych związków
chemicznych – na skutek działania promieniowania lub wyładowań elektrycznych
– mogły powstawać substancje organiczne, czyli podstawowe cegiełki
życia.
Ocean w laboratorium
Ta krótka dygresja niezwykle zainteresowała Millera. O samorzutnym
powstaniu życia mówiło się wprawdzie od jakiegoś czasu, ale wszystko
sprowadzało się do teoretycznych spekulacji, niepopartych żadnymi
eksperymentami. Pierwsze dociekania na ten temat, jeszcze w latach
dwudziestych ubiegłego stulecia, opublikował wybitny rosyjski biolog Aleksander Oparin. Zakładał on
istnienie pierwotnej beztlenowej atmosfery ziemskiej bogatej w proste
związki wodoru, węgla, azotu i tlenu.
Miller postanowił teorię tę sprawdzić i swoją pracę doktorską poświęcił
próbom stworzenia w laboratorium cząsteczek podstawowych dla życia z
mieszaniny gazów. Harold Urey, do którego zwrócił się z prośbą o opiekę nad
doktoratem, wcale nie był zachwycony tym pomysłem – obawiał się, że z
eksperymentu może nic nie wyjść. Jednak Miller w końcu przekonał go
przyrzekając, że jeśli przez pół roku nie otrzyma znaczącego wyniku, porzuci
badania.
Obydwaj przystąpili do budowy aparatury symulującej warunki panujące na
Ziemi zaledwie kilkaset milionów lat po jej powstaniu. Był to zamknięty
układ naczyń i rurek, w których krążyła mieszanina wodoru, amoniaku, metanu
i pary wodnej. Taki gazowy koktajl schładzano, dzięki czemu skraplał się i
udawał deszcz tworzący na dnie naczynia pierwotny „ocean”. Ten z kolei
podgrzewano, by powoli parował do kolejnego naczynia i formował „chmury”,
przez które przeskakiwały „burzowe błyskawice”, czyli wyładowania
elektryczne. „Chmury” stopniowo się ochładzały, znowu padał z nich „deszcz”
i cykl się powtarzał.
Już po tygodniu wybuchła sensacja. W „oceanie” Millera pojawiły się trzy
aminokwasy, czyli związki chemiczne, z których składają się białka –
podstawowy budulec wszystkich istot żywych. W dość prostym doświadczeniu
udało się bowiem wykazać, że cegiełki życia mogą bardzo łatwo powstawać z
najprostszych związków chemicznych. – Eksperymenty Millera dokonały ogromnej
rewolucji w myśleniu o powstaniu życia i spowodowały, że zaczęto się tym
problemem intensywnie zajmować – mówi prof. Józef Kaźmierczak z Instytutu
Paleobiologii PAN, specjalista w dziedzinie badań najstarszych śladów życia
na Ziemi.
Miller opublikował swoje wyniki w maju 1953 r. w
tygodniku naukowym „Science”. Od tego czasu przeprowadzono wiele
podobnych badań, które potwierdziły osiągnięcia Amerykanina. Modyfikowano w
nich wprawdzie skład pierwotnej ziemskiej atmosfery – dziś uważa się, że
przeważał w niej tlenek i dwutlenek węgla, metan oraz gazowy azot – ale i
tak otrzymywano podstawowe cegiełki życia.
Przypadek czy konieczność
Czy doświadczenia Millera i jego naśladowców rozwiązywały zagadkę
powstania żywych organizmów? Nie do końca. Do narodzin życia konieczne jest
pokonanie trzech etapów. Pierwszy to przekształcenie się prostych związków
chemicznych w bardziej złożone substancje organiczne – między innymi
aminokwasy, zasady azotowe i cukry. To właśnie wykazał Miller i jego
naśladowcy. Następny etap to łączenie się aminokwasów w białka, a zasad
azotowych i cukrów w kwasy nukleinowe – RNA i DNA mogące być nośnikami
informacji genetycznej, czyli powstawanie złożonych związków organicznych
(makrocząsteczek). Wreszcie ostatni etap: makrocząsteczki muszą stworzyć
samodzielne struktury funkcjonujące podobnie jak komórki – po to, by taki
pierwotny żywy organizm mógł produkować i magazynować energię oraz bez
przeszkód się replikować.
Długo wydawało się, że rozwiązanie zagadki ostatnich dwóch etapów narodzin
życia będzie niezwykle trudne. Niektórzy naukowcy, jak na przykład laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii
Jacques Monod, uważali, że prawdopodobieństwo powstania życia
było tak małe, iż szanse powtórzenia tego zdarzenia są mniejsze niż główna
wygrana w totolotka. Jego zdaniem życie pojawiło się jedyny raz w historii
kosmosu właśnie na Ziemi dzięki nieprawdopodobnie szczęśliwemu zbiegowi
okoliczności. Swoje tezy Monod przedstawił w słynnej książce o znamiennym
tytule „Przypadek i konieczność”.
Łączenie się prostych związków organicznych w długie łańcuchy tworzące
skomplikowane struktury, takie jak białka czy DNA, mogło rzeczywiście
wydawać się nieprawdopodobne i nieprzypadkowe. Jednak w latach
siedemdziesiątych dwaj nobliści, Manfred Eigen i Ilya Prigogine, rozwiązali
ten problem. – Okazało się, że w tak zwanych stanach dalekich od równowagi,
gdy na przykład występują duże różnice temperatur, mogą dziać się rzeczy
zaskakujące, pozornie przeczące zdrowemu rozsądkowi. Jeśli na przykład
cienką warstwę cieczy umieści się między dwiema płytkami, z których jedną
będzie się podgrzewać, a drugą ochładzać, to jednorodna ciecz przybierze
dynamiczną strukturę podobną do komórek plastra miodu. Substancje chemiczne
same więc mogą organizować się w bardziej skomplikowane struktury i nie dążą
do przywrócenia stanu równowagi – mówi prof. Zbigniew R. Grabowski z
Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie.
Ponadto, zdaniem prof. Kaźmierczaka, Jacques Monod
głosił swoje pesymistyczne poglądy, gdy nie było jeszcze ciekawych danych
pochodzących z obserwacji kosmosu. Dzięki sondzie Galileo i teleskopowi
Hubble’a dowiedzieliśmy się o powszechnej obecności w kosmosie
substancji organicznych potrzebnych do budowy życia. Zawiera je pył
międzygwiazdowy, jądra komet, a można je także znaleźć na księżycach Jowisza
i Saturna. – Te dwa urządzenia dokonały w nauce gigantycznej rewolucji,
która niesie bardzo optymistyczne przesłanie – powstanie życia wydaje się
wbudowane w ewolucję materii i Wszechświata – mówi prof. Kaźmierczak.
Jajko czy kura
Dziś naukowcy wiedzą już dokładnie, jak powstają wszystkie
substancje chemiczne potrzebne do stworzenia życia. Udało im się rozwiązać
także inną zagadkę, która długo spędzała sen z powiek badaczy. Był to
klasyczny problem jajka i kury – co było pierwsze? Kwasy nukleinowe, czyli
DNA i RNA, nie mogły bowiem powielać się bez pewnego rodzaju białek –
enzymów zwanych polimerazami. Do ich powstania z kolei potrzebne były...
kwasy nukleinowe. Dopiero odkrycie dokonane w 1983 r. przyniosło
rozwiązanie: istnieją krótkie łańcuchy RNA mające bardzo podobne właściwości
do polimeraz. U zarania życia nie potrzeba więc było białek do powielania
materiału genetycznego.
Tak narodziła się hipoteza świata RNA, za którą przemawia coraz więcej
odkryć. Życie początkowo musiało się opierać wyłącznie na kwasie
rybonukleinowym. Dopiero później wyparł je dominujący dziś na Ziemi kwas
deoksyrybonukleinowy (choć nosimy w swoich komórkach również RNA, ale pełni
on funkcje „techniczne”, natomiast plan budowy całego organizmu jest
zapisany w DNA). Zwycięstwo DNA wynikało zapewne z faktu, że jest to
trwalszy związek chemiczny, lepiej przechowujący informację
genetyczną.
Znając odpowiedzi na pytania, jak mogły powstać proste i złożone substancje
organiczne, naukowcy zabrali się za rozwiązywanie najtrudniejszego
zagadnienia – powstania komórek. Zbieg okoliczności sprawił, że dokładnie
pół wieku po eksperymentach Millera amerykańskim uczonym udało się
przeprowadzić badania przybliżające rozwiązanie zagadki ostatniego etapu
narodzin życia.
4 miliardy lat temu
Pod koniec 2003 r. trzej uczeni – Martin Hanczyc, Shelly Fujikawa
i Jack Szostak z Massachusetts General Hospital w Bostonie – pokazali, jak
ze związków tłuszczowych i RNA mogą, przy udziale minerałów, tworzyć się
komórki. W pierwotnym oceanie doszło do powstania kwasów tłuszczowych
(wiadomo bowiem, że ich synteza była wtedy zjawiskiem pospolitym) i RNA.
Dodali więc je do wody o zasadowym odczynie – jaki najprawdopodobniej miał
pierwotny ocean. Ponieważ jednak 4 mld lat temu gorące źródła wulkaniczne na
dnie oceanów zakwaszały wody, naukowcy zaczęli zmieniać odczyn w
laboratorium na bardziej kwaśny. Okazało się, że takie nagłe zmiany cechują
strefy mieszania się wód zasadowych i kwaśnych i tam właśnie dochodzi do
powstawania pęcherzyków kwasów tłuszczowych, czyli czegoś przypominającego
komórki.
Ponadto wykazali, że proces ten przebiega szczególnie szybko, jeśli w wodzie
występuje zawiesina montmorylonitu – ilastego minerału występującego obficie
w glinie i na pewno powszechnego na młodej Ziemi. Jego powierzchnia jest
ujemnie naładowana, więc minerał ten przyciąga dodatnie cząsteczki kwasów
tłuszczowych i tworzy z nich pęcherzyki. – Na montmorylonit, jako materiał
mogący odgrywać bardzo istotną rolę w powstaniu życia, badacze zwracali
uwagę od dość dawna. Zajmował się nim między innymi wybitny chemik Aharon
Katchalsky, prezes Izraelskiej Akademii Nauk, który niestety zginął w jednym
z pierwszych zamachów bombowych na lotnisku w Tel Awiwie – mówi prof.
Grabowski.
Montmorylonit ma ponadto budowę warstwową. Pomiędzy tymi warstwami chętniej
wiąże duże cząsteczki niż małe. Amerykańscy naukowcy dodali więc jeszcze
więcej minerału do zawiesiny z pustymi pęcherzykami tłuszczu i dorzucili
RNA. Ku ich wielkiej radości pęcherzyki wypełniły się kwasem
nukleinowym.
Tłuste życie
Na tym doświadczenie się jednak nie zakończyło – badaczom udało
się powiększyć i rozmnożyć „tłuszczowe komórki”. Wzrost pęcherzyków
następował po dodaniu kolejnej porcji montmorylonitu. Natomiast rozmnażanie
polegało na przepuszczeniu wody zawierającej pęcherzyki tłuszczowe przez
porowaty materiał – taki jak pumeks. Wówczas „komórki” dzieliły się, tracąc
przy tym niewiele więcej niż połowę swojej zawartości. RNA mogło więc być
przekazywane następnym pokoleniom tłuszczowych pęcherzyków. Eksperyment ten
dowodzi, że na najwcześniejszych etapach życie wcale nie potrzebowało
skomplikowanej maszynerii biochemicznej do powielania i powiększania
komórek.
– To ogromne odkrycie nie zostało tak nagłośnione, jak na to zasługuje.
Amerykanie spięli bowiem w całość to, co do tej pory wiedzieliśmy na temat
kolejnych etapów powstania życia. Dzięki takim eksperymentom nauka jest
bardzo blisko stworzenia od podstaw życia „w probówce”. Kiedy do tego
dojdzie? Mam nadzieję, że jeszcze za mojego życia – mówi prof. Kaźmierczak.
Również prof. Grabowski uważa, że to tylko kwestia czasu: – Dokonamy tego
jeszcze w tym stuleciu. Ale nie łudźmy się, że dokładnie powtórzymy
zjawiska, które działy się na Ziemi ponad 4 mld lat temu. Tak jak bitwę pod
Grunwaldem możemy niezwykle wiernie inscenizować, ale nie jest to prawdziwa
bitwa. Ta zdarzyła się tylko raz.
Poza tym taka stworzona od podstaw istota żywa może pod względem budowy
chemicznej okazać się inna niż znane nam życie. Na przykład będzie miała
odmienny, może nawet lepszy, kod genetyczny. – Trzeba więc bardzo uważać, bo
możemy przez przypadek stworzyć coś, co okaże się niebezpieczną konkurencją
dla istniejącego już życia – przestrzega prof.
Grabowski.
http://polityka.onet.pl/162,1151703,1,0,2441-2004-09,artykul.html